随着全硅微纳制造技术的快速发展，片上光子集成收发技术已得到了极大的推进，包括低损耗光耦合器、光波导、高质量因子光学微腔谐振器在内的高性能微纳光学器件都有许多的报道，且制作工艺成熟已经逐步迈入商用阶段。作为光子计算机的重要组成部分，与半导体工艺兼容的片上光存储单元受到了研究人员的广泛关注，通过减少与电存储器相关的信号延迟及消除光电转换过程，片上光存储将显著提高计算性能。
基于硫族化合物的相变材料具有在单晶与非晶态之间转化的能力，同时该类材料在室温下具有良好稳定性。相变材料与硅光子技术的结合可以实现片上非易失性光存储功能，与其他类型存储器件相比，这类器件可以在设备没有外部能量提供的情况下持续保存数据信息。目前针对片上光存储器件的研究大都基于Ge2Sb2Te5 (GST) 材料，该材料与硅基光子集成技术的结合存在擦写功耗大、响应时间长（~百ns量级）的缺点，导致系统擦写能耗高、链路延迟大，限制了计算性能。此外片上光互连通常在近红外波段，GST在近红外波段吸收高，导致系统传输损耗高，限制了基于GST非易失性光存储器件的尺寸及可扩展性。
因此，探索具有低吸收系数及无熔化过程且结构熵变化小的相变材料与硅基光电子技术的结合是解决当前片上光存储器件擦写功耗、响应时间、扩展规模等问题的关键。
有鉴于此，近日，美国特拉华大学顾庭怡团队在基于硅基光电子技术的片上光存储器件领域取得进展。In2Se3材料是一种存在多个单晶态的层状材料，可在单晶态之间进行不包含熔化过程且低结构熵的可逆相变，同时该材料具有较大光学带隙，在近红外波段吸收系数很低。该团队首次证明了基于分子束外延生长In2Se3与硅基微环混合集成结构的片上非易失性全光存储器件，该器件可实现近红外光擦写，单次写入所需能量仅为0.25 nJ，擦除能量为0.56 nJ，擦写脉冲宽度低至15 ns。基于In2Se3的非易失性光子器件具有擦写功耗低、响应速率快、器件寿命长、片上插损低的潜质，是突破目前光子计算性能及扩展规模瓶颈的极佳候选。
图1. 基于分子外延生长In2Se3硅基微环结构的非易失性全光存储器件。（a）In2Se3两种层状态的吸收系数谱理论值。（b）MBE生长In2Se3薄膜的拉曼光谱。（c）α-, β-In2Se3/硅基微环归一化微环谐振曲线谱。（d）器件扫描电镜图。（e）α-In2Se3与β-In2Se3与波导结构结合的模式分布对比图。（f）激光功率与谐振峰漂移及消光比变化曲线。（g）三次重复实验谐振波长处光传输功率改变情况。图片来源：Adv. Mater.
这一成果近期发表在Advanced Materials 上。文章的第一作者为李田甜博士
Structural Phase Transitions between Layered Indium Selenide for Integrated Photonic Memory
Tiantian Li, Yong Wang, Wei Li, Dun Mao, Chris J Benmore, Igor Evangelista, Huadan Xing, Qiu Li, Feifan Wang, Ganesh Sivaraman, Anderson Janotti, Stephanie Law, Tingyi Gu
Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202108261
李田甜，西安邮电大学光电子系副教授。2018年于北京大学取得博士学位，2018年至2020年在美国特拉华大学工学院从事博士后研究，2021年1月起就职于西安邮电大学。
研究领域是硅基光电子器件。主持国家自然科学基金青年项目、陕西省自然科学基础研究计划青年项目等课题。在硅基集成片上光电子器件方面有深厚的积累，作为第一作者，相关研究成果已发表在本领域世界顶级期刊Advanced Materials、Photonics Research、NPJ 2D materials and applications、Optics Express以及OSA/IEEE国际旗舰会议CLEO/GFP/ACP上。
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